卫星/惯性组合导航系统的空中对准方法

摘要

一种卫星/惯性组合导航系统的空中对准方法，属惯性导航系统。本对准方法包括卫星导航接收机定位数据采集；卫星导航定位数据缓存；惯性测量单元数据采集；飞行器运动加速度计算；导航坐标系下三维比力计算；俯仰角和横滚角三角方程的快速数据求解；初始化捷联惯性导航系统的导航参数等步骤，本发明可实现对载体动态飞行中的捷联惯性导航系统空中初始对准，解决飞机、导弹等运动载体中捷联惯性导航系统在空中飞行中的快速对准问题。

主权项

1.一种卫星/惯性组合导航系统的空中对准方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)卫星导航接收机定位数据采集：组合导航计算机以周期TG持续从与卫星导航接收机相连的接口读取卫星导航接收机输出的特定格式的导航信息，并进行解读，取得飞行器的实时三维位置、三维速度和航迹方位角，其中，三维位置包括经度λ，纬度L和高度H，当地地理坐标系下的东向速度VE、东向速度VN和东向速度VU，航迹方位角ψ；(2)卫星导航定位数据缓存：把步骤(1)中读入组合导航计算机的卫星导航接收机输出的三维位置、三维速度和航迹方位角与时间信息一并保存在导航计算机的内存空间变量中，缓存后的变量依次以符号λk-1表示经度、Lk-1表示纬度，Hk-1表示高度，VE，k-1，VN，k-1、VU，k-1分别表示东向、北向和天向的速度，ψk-1表示航迹方位角，tk-1表示时间信息；(3)惯性测量单元数据采集：紧跟步骤(2)，通过模数转换或串行口，以周期TI读取惯性测量单元中陀螺和加速度计测量的三维角速率和三维比力，捷联惯性测量单元测得的信息均为飞行器角运动和线运动在机体坐标系b下的投影，三维角速率和三维比力分别ωibbx，ωibby，ωibbz和fxb，fyb，fzb，其中TG为TI的整数倍，x，y，z表示机体系的三个坐标轴；(4)飞行器运动加速度计算：在初次获得卫星导航数据，并经过至少2个周期TG的时间后，在完成GPS信息解读时刻tk，组合导航计算机中有经度λk、纬度Lk，高度Hk，东向方向速度VE，k，北向速度VN，k，天向速度VU，k，航向角ψk，按如下的前后差分法计算飞行器的运动加速度：$a_E=\frac{V_{E,k}-V_{E,k-1}}{T_G}{a}_N=\frac{V_{N,k}-V_{N,k-1}}{T_G};a_U=\frac{V_{U,k}-V_{U,k-1}}{T_G}度，代入捷联惯性导航系统比力方程，计算导航系下的三维比力，其计算方法如下：$ \left[\begin{array}{c}{f}_E\\ f_N\\ f_U\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{a}_E\\ a_N\\ a_U\end{array}\right]+\left[\begin{array}{ccc}0& -(2{\omega }_{\mathrm{ieU}}^n+{\omega }_{\mathrm{enU}}^n)& (2{\omega }_{\mathrm{ieN}}^n+{\omega }_{\mathrm{enN}}^n)\\ (2{\omega }_{\mathrm{ieU}}^n+{\omega }_{\mathrm{enU}}^n)& 0& -(2{\omega }_{\mathrm{ieE}}^n+{\omega }_{\mathrm{enE}}^n)\\ -(2{\omega }_{\mathrm{ieN}}^n+{\omega }_{\mathrm{enN}}^n)& (2{\omega }_{\mathrm{ieE}}^n+{\omega }_{\mathrm{enE}}^n)& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{E,k}\\ V_{N,k}\\ V_{U,k}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ g_0\end{array}\right]纬度计算得到：$ {\omega }_{\mathrm{ie}}^n=\left[\begin{array}{c}{\omega }_{\mathrm{ieE}}^n\\ {\omega }_{\mathrm{ieN}}^n\\ {\omega }_{\mathrm{ieU}}^n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ {\omega }_{\mathrm{ie}}\cos L\\ {\omega }_{\mathrm{ie}}\sin L\end{array}\right]径计算得到：$ {\omega }_{\mathrm{en}}^n=\left[\begin{array}{c}{\omega }_{\mathrm{enE}}^n\\ {\omega }_{\mathrm{enN}}^n\\ {\omega }_{\mathrm{enU}}^n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-\frac{V_{N,k}}{R}\\ \frac{V_{E,k}}{R}\\ \frac{V_{E,k}}{R}\mathrm{tgL}\end{array}\right]比力[fxb\; fyb\; fzb]T之间有如下变换关系：$ \left[\begin{array}{c}{f}_x^b\\ f_y^b\\ f_z^b\end{array}\right]=C_n^b\left[\begin{array}{c}{f}_E\\ f_N\\ f_U\end{array}\right]C_n^b=\left[\begin{array}{ccc}\cos \gamma \cos \psi +\sin \gamma \sin \theta \sin \psi & -\cos \gamma \sin \psi +\sin \gamma \sin \theta \cos \psi & -\sin \gamma \cos \theta \\ \cos \theta \sin \psi & \cos \theta \cos \psi & \sin \theta \\ \sin \gamma \cos \psi -\cos \gamma \sin \theta \sin \psi & -\sin \gamma \sin \psi -\cos \gamma \sin \theta \cos \psi & \cos \gamma \cos \theta \end{array}\right]根据比力变换关系，可建立机体坐标系下的关于俯仰角和横滚角的三角函数方程：$ f_y^b=(f_E\sin \psi +f_N\cos \psi )\cos \theta +f_U\sin \theta ---\left(1\right)f_x^b=(f_E\cos \psi -f_N\sin \psi )\cos \gamma +(f_E\sin \theta \sin \psi +f_N\sin \theta \cos \psi -f_U\cos \theta )\sin \gamma ---\left(2\right)有俯仰角一个未知量，通过式(1)求得俯仰角后，代入式(2)，则代入式(2)也只含有横滚角一个未知量；(6)俯仰角和横滚角三角方程的快速数值求解：俯仰角的定义域为-90到90度，在该范围内，采用等步长间隔\Delta \theta ，\Delta \theta 可取0.5～1度，将俯仰定义域离散化，将离散化的俯仰角数值代入上述三角方程，进行比较寻优搜索，满足min\{|cos\theta (fEsin\psi +fNcos\psi )+fUsin\theta -fyb|\}的\theta 即为待求的俯仰角；对横滚角的定义域进行离散化，并遍历搜索，满足min\{|(fEcos\psi -fNsin\psi )cos\gamma +(fEsin\theta sin\psi +fNsin\theta cos\psi -fUcos\theta )sin\gamma -fxb|\}的\gamma 即为待求的横滚角；(7)将步骤(6)求得的俯仰角\theta 和横滚角\gamma ，与已获取的经度\lambda k、纬度Lk，高度Hk，东向速度VE，k，北向速度VN，k、天向速度VU，k，航向角\psi k组成初始状态，初始化捷联惯性导航系统的导航参数，实现对载体动态飞行中的捷联惯性导航系统空中初始对准。$$$$$$